TERMODINÂMICA E ESTRUTURA DA MATÉRIA

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1 MEC - Mestrado Integrado em Engenharia Civil LEGM - Licenciatura Bolonha em Engenharia Geológica e de Minas TERMODINÂMICA E ESTRUTURA DA MATÉRIA 0-03 Exame de ª Época, 5 de Junho de 03, 8h-0h30min INSTRUÇÕES O exame tem a duração máxima de h30min; Os alunos podem entrar no exame até meia hora depois do exame se iniciar (8h30min); Os alunos podem desistir do exame ao fim de uma hora (9h), entregando a folha inicial do exame assinada com a palavra Desisto ; Cada grupo deve ser resolvido numa folha de exame separada; As respostas referentes ao Grupo I devem ser dadas na ª folha do Enunciado (páginas e ), devidamente identificado Grupo I (6 valores) Indique a resposta correta assinalando a com uma cruz. Cada resposta certa corresponde a 0,5 valores, cada resposta errada desconta 0,5 valores, quem não responder tem 0 valores. A temperatura é uma propriedade intensiva de um sistema porque a) é independente da quantidade de matéria b) depende da pressão c) não é intensiva, é uma propriedade extensiva O comprimento de um carril de uma linha de comboio em aço (α=x0-6 / C) é 0 metros no inverno (T=0 C) e a) no verão (T=30 ) é 0,0480 m b) na primavera (T=0 C) é 0,004 m c) no outono (5 C) é 9,00 m L = L T = =,4 0 3 m 3 A quantidade de calor necessária para aumentar em C a temperatura da água (ρ = 000 kg/m 3 ) de uma piscina olímpica (500m 3 ) é, com C v = C p = 4,87 kj/(kg K) a) 0,47 GJ b),9 GWh c) 0,47 MJ c v = ( δu δt ) δu = c v δt U = mc v T v U = mc v T = J = 0, J 4 A temperatura de evaporação da água é a) 00 C b) 00 C à pressão atmosférica c) 00 C à pressão de MPa 5 O ponto triplo da água é um estado de pressão e temperatura a) no qual a água passa do estado solido para gasoso b) no qual os três estados coexistem em equilíbrio termodinâmico c) a partir do qual já não se conseguem distinguir os estados da matéria /7

2 6 O calor latente de fusão de uma substância a) é a quantidade de energia para efetuar qualquer mudança de fase b) é a quantidade de energia para passar do estado líquido para o estado sólido c) é igual ao calor latente de evaporação 7 A pressão de uma mole de um gás perfeito num recipiente de m 3 a uma temperatura de 300 K é d),49 kpa e) pressão atmosférica f) depende do gás perfeito R = 8,345kJkg K 8, PV = nrt, { P = =, Pa nº moles 8 Num sistema termodinâmico, a variação de energia entre dois estados a) é sempre igual à variação de energia interna b) é a variação de energia cinética e potencial c) é igual à variação de energia interna, cinética e potencial 9 Num sistema, a variação de entropia de um processo irreversível é dado pela a) transferência de entropia através da superfície b) entropia gerada no processo c) soma da transferência de entropia através da superfície e à entropia gerada no processo S δq = δq + S T T gen 0 Na análise ar-padrão nos ciclos de gás a) considera-se que o combustível na câmara de combustão é ideal b) considera-se que o ar está sempre à mesma temperatura c) considera-se que o ar é um gás ideal A cor do laser tem a ver com a) o comprimento de onda dos fotões emitidos laser b) temperatura do material do laser c) coloração da lente Um eletrão muda de nível de energia num átomo a) qualquer que seja a energia b) se receber um valor bem determinado de energia c) se receber energia por choque com outro eletrão /7

3 Nome Grupo II (8 valores) A Central Termoelétrica de Sines opera segundo um ciclo de Rankine, em que cada grupo gerador tem uma caldeira e uma turbina que a determinado momento estão aproximadamente a funcionar nos seguintes estados: Caldeira Mague Produção de vapor: 64 kg/s Temperatura de entrada da água: 60 C (líquido comprimido) Temperatura de saída do vapor sobreaquecido: 50 C Temperatura máxima de saída do vapor sobreaquecido: 535 C Turbina Mague/ ABB Temperatura do vapor à entrada: 50 C Pressão do vapor à entrada: 60 bar Pressão máxima do vapor à entrada: 67 bar Pressão à saída: 0,06 bar (vapor saturado) Potência da turbina: 360 MW a) Desenhe o diagrama Ts do ciclo, indicando os valores já conhecidos no gráfico (,5 valor) b) Calcule a quantidade de calor por unidade de tempo que é necessária para gerar o vapor sobreaquecido. ( valor) Q in = (h h 4 ) = 64kg/s (3353,3 38,8) = 584,68kJ/s Diretamente da tabela de vapor sobreaquecido temos h = 3353,3kJ/kg Diretamente da tabela de líquido comprimido temos h 4 = 38,8kJ/kg (A utilização de Q = C P T não é correcta, pois a água muda de fase e é necessário entrar com o calor latente de fusão à pressão de 60ºC, bem como o calor específico do vapor sobreaquecido de água) c) Calcule a potência da turbina e compare com o valor indicado na tabela da turbina e explique as diferenças ( valores) A potência da turbina é dada por W t = (h h ) Directamente da tabela de vapor sobreaquecido temos h = 3353,3kJ/kg Directamente da tabela de vapor saturado temos que h = 567,4kJ/kg Então W t = (h 4 h 3 ) = 64 kg/s (3353,3 567,4) = 07,48MJ/s Tanto a caldeira como a turbina não estão a operar nas condições máximas, pelo que a turbina está a operar com potência mais baixa d) Calcule o rendimento assumindo que a potência da bomba de água é % da potência da turbina (,5 valor). η = W t 07,48 99% = = 35,3% Q in 584,63 Este rendimento é ligeiramente mais baixo do que seria expectável num ciclo de Rankine (perto dos 40%), o que era expectável, pois a turbina não está a operar à potência máxima ( o rendimento real de Sines é cerca de 38%) 3/7

4 e) Compare o rendimento de um ciclo de Carnot com as mesmas temperaturas de operação e comente ( valor). η max = T C 36,6 + 73,5 = = 0,3837 = 6,63% T H ,5 Como seria de esperar, este rendimento é substancialmente superior ao do ciclo, mas ainda assim, pela segunda lei da termodinâmica, inferior a 00%. Nota: Se não resolveu as alíneas b) e c) considere que a caldeira fornece uma potência de 600 MW e que a turbina tem a potência da tabela (360 MW). Grupo III (6 valores) Na Central Termoelétrica de Sines existe um sistema de regeneração (pré-aquecimento) de água, que aumenta a temperatura dagua à saída do condensador de 36 C (líquido) para 60 C. Assuma que isso é feito, de forma simplificada, num permutador onde a água é aquecida por vapor de água retirado à turbina. Nota: Para a água considere C p = 4,87 kj/(kg K) e ρ = 000 kg/m 3 a) Sabendo que o caudal de água é de 64 kg/s, calcule qual a quantidade de calor QA por unidade de tempo que é fornecido à água. ( valor) O calor trocado por unidade de tempo corresponde à energia necessária para aumentar a temperatura do caudal de água que passa no permutador: Q A = C P T = 64 4, (60 36) = 37 MW b) Calcule a área de contacto do permutador, considerando que nestas condições a resistência térmica total é 0,0 m K/W. (,5 valor) O calor calculado na alínea anterior é transferido do vapor para água através da área metálica de contacto que os separa. Designando o inverso do coeficiente de transmissão de calor total (U) por Rtotal, a transferência de calor é dada por: Q A = A T A = Q AR total = ,0 = 346 m R total T (50 98) O vapor é da turbina, por isso considerámos que está a 50ºC, e considerámos ainda a temperatura média da água, 98ºC (T m = = 98) c) Explique quais os mecanismos de transmissão de calor incluídos no termo de resistência térmica da alínea b). ( valor) Os processos físicos presentes no coeficiente de transmissão de calor total são a condução no material que separa a água do vapor (área metálica de contacto) e as convecções entre a água e o material de separação e entre o vapor e o material de separação. As resistências térmicas associadas a estes três processos de transferência de calor estão em série, entre a água e o vapor. 4/7

5 d) Considerando que a superfície exterior do permutador no seu ponto médio tem uma temperatura de 30 K, que a temperatura do local onde se encontra o permutador é de 93 K e que o coeficiente de convecção natural nestas condições é de 0 W/m K, calcule o calor QB por unidade de tempo e por unidade de área trocado entre o permutador e o exterior neste ponto médio. ( valor) Trata-se de calor trocado por convecção entre a superfície exterior do permutador do lado da água e o ar. O seu fluxo na zona média do permutador será: Q B = h T = 0 (30 93) = 70 W. m e) Lembrando que no ponto médio a temperatura da água é de 98 C, calcule a entropia gerada por unidade de tempo e por unidade de área devido ao fluxo de calor calculado na alínea d). (,5 valor) O calor é transferido da água para o ambiente. Quer na água quer no ambiente a transferência do calor é reversível pois dá-se em equilíbrio térmico (assume-se que quer a água quer o ambiente são reservatórios de calor com temperatura constante no tempo). A irreversibilidade ocorre na fronteira, na zona em que o calor passa da temperatura da água para a temperatura ambiente. Podemos então utilizar a equação da variação de entropia da fronteira para calcular a entropia gerada por unidade de tempo e por unidade de área: S fronteira = Q i T i + S gen Como o processo é estacionário (não varia no tempo) a entropia da fronteira, que é uma função de estado, também não varia. Os calores que atravessam a fronteira são o calor calculado na alínea d) a entrar à temperatura da água e a sair à temperatura ambiente: 0 = Q B Q B Q B + S gen S gen = Q B = 70 T água T ambiente T ambiente T água = 0, J. K. m, Volume Específico (m 3 /kg) Energia Interna Entalpia Entropia kj/(kgk) Pressão (bar) Temp ( C) 0,04 8,96, ,800,45 45,,46 554,4 0,46 8,4746 0,06 36,6,0064 3,739 5,53 45,0 5,53 567,4 0,50 8,3304 0,08 4,5,0084 8,03 73,87 43, 73,88 577,0 0,596 8,87 0,0 45,8,00 4,674 9,8 437,9 9,83 584,7 0,6493 8,50 0,0 60,06,07 7,649 5,38 456,7 5,40 609,7 0,830 7,9085 Sobreaquecido (P=60bar, Tsat=347,44 C) Temp ( C) Volume Específico (m 3 /kg) Energia Interna Entalpia Entropia kj/(kgk) Sat 0, ,7 580,6 5, , ,0 75,8 5, ,046 79,4 947,6 5, , ,4 303,7 6, , ,7 334,4 6,5 50 0, , 3353,3 6, ,07 37,8 3465,4 6, ,033 30,8 3573,5 6, , , 3678,9 6, , ,0 3833,9 6, , ,7 3935,9 7,05 5/7

6 Nome Comprimido (P=60bar, Tsat=347,44 C) Temp ( C) Volume Específico (m 3 /kg) Energia Interna Entalpia Entropia kj/(kgk) 60 0, ,6 684,7, ,00 753,5 770,99,97 0 0,007 99,04 947,83, ,005 3,7 3,8, , , 337, 3,36 Formulário de TEM (5 de Junho 03) W = PdV h = u + Pv c v = ( δu δt ) v Leis da termodinâmica c p = ( δh δt ) p ª Lei da Termodinâmica: E = Q W, E = PE + KE + U ª Lei da Termodinâmica: (sistemas abertos): Q W = out (h out + V out + gz out )- in (h in + V in + gz in ) ªLei da Termodinâmica: W b Q in W t Q out = h h = h 3 h = h 3 h 4 η = W net Q in = h 4 h Ciclo η = Q C Q H T C T H S δq T = δq T + S gen S gen = S sistema + S exterior 0 TdS = du + PdV Expansão linear L = L T Rendimentos de ciclos de Carnot: η max = T C T H COP BCmax = T H T H T C T C COP Fmax = T H T C Gases Perfeitos PV = nrt, n nº moles R = 8,345 J/(K mol) PV = mr gas T, R gas = R/M gas, c v = 3 R c p = 5 R C p=c v + R s = uc ln v ( T ) Rln ( v ) T v s = C ln p ( T ) Rln ( P ) T P Transmissão de calor Lei de Fourier q = ka T T L q = k T T L q = UA T, U = R = h + L A ka + L B kb + L C kc + h 4 Lei de arrefecimento de Newton: q = ha(t s T f ), q = h(t s T f ) Lei de Stefan-Boltzmann q = εστ 4 Física Quântica e Estrutura da Matéria Energia de um fotão: E = hf Constante de Plank: h = 6, Js Momento linear de um fotão: p = h c Comprimento de onda de uma partícula λ = h p λn = RZ ( nf ni ), R = m - 6/7

7 Transferência entre corpos com um fator de forma de q = A εσ(t 4 T 4 ) Constante Boltzmann σ = W/m K 4 Lei de Wien T =, mk λ max 7/7